produÇÃo de fibras texteis a partir da … · trabalho foi gentilmente cedido pela usina...

PRODUÇÃO DE FIBRAS TEXTEIS A PARTIR DA CELULOSE DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

S. M. Costa1*; A. Pessoa Jr.1; P. G. Mazzola1, P. O. Magalhães2, S. O. Rogero3;

S. A. Costa4

1Universidade de São Paulo/USP - Faculdade de Ciências Farmacêuticas, Dept. Tecnol. Bioquímico-Farmacêutica,

Avenida Prof. Lineu Prestes, no. 580, Bloco 16, Cidade Universitária, CEP: 05508-000, São Paulo - SP, Brasil. [email protected]

2Universidade de Brasília, Faculdade de Ciências da Saúde, Curso de Ciências Farmacêuticas

Campus Universitário Dary Ribeiro, Asa Norte, CEP: 70910900

. 3Instituto de Pesquisa Energéticas e Nucleares – IPEN - CNEN/SP

Avenida Lineu Prestes, 2.242 – Cidade Universitária – CEP: 05508-900 -

São Paulo, SP, Brasil, 4Universidade de São Paulo/USP - Escola de Artes, Ciências e Humanidades, Curso de

Bacharelado em Têxtil e Moda, Campus USP-Leste. Av. Arlindo Bétio, 1000, Parque Ecológico do Tietê, Ermelino Matarazzo, CEP: 03828-080,

São Paulo – SP, Brasil.

RESUMO A utilização de recursos renováveis no desenvolvimento de novos materiais tem

atraído a atenção de pesquisadores de todo o mundo. Este trabalho abordou a

utilização do bagaço de cana-de-açúcar um resíduo da indústria sucroalcooeira

para obtenção de fibras têxteis. A celulose do bagaço foi obtida pelo processo de

polpação soda/antraquinona (AQ). As reações de polpação foram realizadas

utilizando 4,5 g de palha de cana e solução de NaOH 20,64% (m/v) (16% de Na2O

ativo). As polpas obtidas foram submetidas a uma sequência de branqueamento

utilizando peróxido de hidrogênio para remoção de lignina residual. A celulose do

bagaço de cana e comercial foram utilizadas para produção de fibras utilizando

óxido de N-metilmorfolina (NMMO) e água. As fibras obtidas foram analisadas

quanto a capacidade de absorção de água, perda de massa e citotoxicidade.

Todas as fibras obtidas de celulose comercial, de bagaço e mistas apresentaram

capacidade de absorção de água na faixa de 60 – 86%. O perfil de perda de

massa na foi na faixa de 2,5 – 26% em 30 dias.

Palavras chave: Bagaço de cana-de-açúcar, Celulose, Fibras têxteis, Liocel.

18º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 24 a 28 de Novembro de 2008, Porto de Galinhas, PE, Brasil.

9472

1. INTRODUÇÃO As tendências mundiais para o avanço científico e tecnológico na área de

novos materiais destacam a importância da utilização de resíduos industriais e

agroindustriais como matéria-prima nos processos de produção. A reutilização e

reciclagem destes resíduos podem minimizar os problemas ambientais ligados ao

acúmulo e diminuir o uso de matérias-primas nobres (MACHADO, 2000;

PANDEY et al., 2000).

No Brasil, a cana-de-açúcar é uma das maiores monoculturas agrícolas . As

estimativas para a nova safra de cana-de-açúcar na Região Centro-Sul, onde se

concentram 86% da produção nacional mostram que a cana moída deverá atingir

498,1 milhões de toneladas, um crescimento de 16% em relação à safra 2007/08,

quando foram moídas 431,2 milhões de toneladas de cana. A produção de açúcar

chegará a 28,6 milhões de toneladas, 9% acima do registrado no período anterior,

cuja produção foi de 26,2 milhões. O álcool anidro atingirá 7,65 bilhões de litros,

6% a mais em relação aos 7,24 bilhões de litros produzidos na safra anterior. O

crescimento do álcool hidratado será de 27%, chegando a 16,6 bilhões de litros.

Na safra anterior esse volume foi de 13,1 bilhões de litros (UNICA, 2008).

O processamento da cana gera vários resíduos agrícolas, como palha,

bagaço, a torta de filtro, a vinhaça e águas residuárias. Desses resíduos, o bagaço

é o que se encontra em primeiro lugar em termos de quantidade gerada.

Os dados mostram que uma tonelada de cana-de-açúcar pode gerar cerca

de 140 kg de bagaço (ALVES FILHO, 2007). A produção mundial de bagaço é

cerca de 54 milhões de toneladas anualmente (LIU et al., 2007) Os custos dos

processos de colheita e lavagem do bagaço já são incluídos ao processo de

extração do açúcar, tornando assim as condições econômicas excelentes para o

processamento do bagaço.

Neste trabalho foi utilizada a celulose de bagaço de cana-de-açúcar para

obtenção de fibras têxteis.


9473

2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Bagaço de cana-de-açúcar: O bagaço de cana-de-açúcar utilizado neste

trabalho foi gentilmente cedido pela Usina Açucareira Ester S.A, da cidade de

Cosmópolis, no Estado de São Paulo.

O bagaço foi seco ao ar por cerca de 10 dias até atingir um teor de umidade

de aproximadamente 10%; em seguida foi embalado em sacos de polipropileno e

guardado em câmara fria a 4°C.

O tamanho médio das partículas do bagaço utilizado foi de 8 a 60 mm de

comprimento e 0,4 mm de diâmetro de um filamento único sendo 4 mm o diâmetro

do aglomerado. Essas medidas foram realizadas utilizando um paquímetro

Mitutoyo (0 a 250 mm).

2.2 Polpações soda /AQ: As polpas NaOH/AQ foram obtidas utilizando 4,5 g de

bagaço de cana e solução de NaOH 20,64% (m/v) (16% de Na2O ativo)

obedecendo à relação licor: bagaço de 12:1 (v/m) e 0,15% (m/v) de AQ em

relação à massa seca de bagaço. A reação foi feita em um reator de aço

inoxidável, com capacidade de 500 mL, a 160oC por 120 min, disponível no

Laboratório de Têxteis e Confecções do Centro Tecnológico da Indústria da Moda

do Instituto de Pesquisas tecnológicas-IPT. O tempo de aquecimento até a

temperatura de 160oC previamente determinado foi de 90 min, resultando em um

tempo total de processo de 210 min. As polpas obtidas foram exaustivamente

lavadas com água destilada até atingir pH 7 e foram secas a 25°C. Para obter

100 g de polpa foram realizadas cerca de 70 reações.

Os rendimentos das polpas foram calculados pela equação 1 (a massa

seca refere-se ao material sem umidade):

100 Mm RT ×= (equação 1)

Em que:

RT = rendimento total (%);

M = massa de bagaço (g) (base seca);

m = massa de polpa obtida após o término da polpação (g) (base seca).


9474

2.3 Classificações das polpas de bagaço: Para a classificação das polpas de

bagaço de cana, cada amostra foi desagregada (consistência de

aproximadamente 0,3%) em aparelho MA-1032. A suspensão de polpa foi

adicionada em um classificador do tipo Somerville com fenda de 0,15 mm. As

polpas classificadas foram centrifugadas e guardadas em câmara fria a 4°C.

2.4 Determinação do rendimento da polpa classificada: O rendimento das

polpas classificadas de bagaço de cana foi determinado pela diferença entre o

rendimento total e o teor de rejeitos. Após a determinação do rendimento total foi

necessário determinar a porcentagem de rejeitos, após a classificação das polpas,

e por fim determinar o rendimento da polpa classificada.

O rendimento classificado foi calculado pela equação 2:

−=

MmrtrRTRc (equação 2)

Onde:

Rc = rendimento classificado (%);

RT = rendimento total (%);

tr = teor de rejeito após classificação (%) (base seca);

mr = massa de rejeitos (g) (base seca);

M = massa inicial de bagaço de cana (g) (base seca). 3.5 Hidrólises ácidas das polpas soda/AQ: As hidrólises ácidas das polpas

foram realizadas utilizando 100 mg de H2SO4 concentrado por 1 g de matéria seca

e relação final matéria seca – solução ácida de 1:10, a temperatura de 121°C, por

10 minutos (PESSOA JÚNIOR, 1997).

2.5 Branqueamento químico: Em cada amostra de polpa classificada hidrolisada

ou não, inicialmente foi realizada uma seqüência de branqueamento químico

constituído de três estágios: extração alcalina com hidróxido de sódio (E),


9475

Tratamento de Quelação com DPA-dietilenotriamina-penta-ácido acético (Q) e

Tratamento com peróxido de hidrogênio (P) usando-se as melhores condições

encontradas por FARIA (1994). Para comparação, foi realizado também

branqueamento em única etapa usando como reagente clorito de sódio (I)

(RUZENE, 2006; BROWING,1963).

2.6 Preparo das fibras têxteis: As fibras foram preparadas utilizando 10% de

celulose, adicionando 80% de óxido de N-metilmorfolina (NMMO) e 10% de água

a 75°C por 30 min. A extrusão das fibras foi feita em um banho contento água a

temperatura ambiente conforme metodologia (FINK et al., 2001).

2.7 Ensaios de absorção de água e perda de peso: Os experimentos foram

realizados em triplicatas. As fibras foram pesadas e imersas em 15 mL de uma

solução tampão de PBS com 7,4±0,02. Os frascos com as amostras foram

selados com parafilme e colocados em um banho com agitação (60 rpm) a 37ºC.

Após os períodos de tempo determinados (1, 3, 5, 7, 15, 21, 30 dias) as amostras

foram removidas e determinadas suas massas. A quantidade de água absorvida

foi calculada pela equação 3.

100mi

mi-wm absorvida água % ×

= (equação 3)

Onde:

mi= massa inicial da amostra

mw é a massa da amostra úmida.

Ao fim de cada teste as amostras foram submetidas à secagem a 37ºC e

foram novamente pesadas para se determinar à massa seca final de modo a ser

calculada a perda de massa segundo a equação 4.

100mi

mi-mf massa de perda % ×

= (equação 4)


9476

Em que:

mf = massa final da amostra após a secagem

mi = massa inicial da amostra.

2.8 Microscopias Eletrônica de Varredura (MEV): As amostras de polpas sem

classificação e de fibras têxteis obtidas de celulose comercial e de bagaço foram

colocadas em um suporte com fita de carbono e revestidas com ouro. Foi utilizado

um microscópio da marca Philips XL serie do laboratório de microscopia eletrônica

do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares – IPEN. A amplitude utilizada

para fibras têxteis foi de 12 e 100 vezes.

2.9Testes de Citotoxicidade: Os ensaios de citotoxicidade foram realizados pelo

método de incorporação do vermelho neutro seguindo normas internacionais

(ISSO 10993-5, 1992) e metodologia descrita por ROGERO et al., 2003.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Estudos do rendimento do processo de polpação soda/AQ

Devido à presença de rejeitos na polpa soda/AQ (verificado visualmente

após o término da polpação) foi necessário fazer a classificação das polpas,

obtendo-se deste modo o rendimento classificado.

Tabela 1. Resultados da polpação soda/AQ do bagaço de cana-de-açúcar.

Lavagem pH inicial pH final R total (%) Rejeitos

(%)

R Classif.

(%)

Polpa

soda/AQ

Água 13,8 6,7 46 16,9 32,4

R rendimento Classif. classificado

Após a etapa de polpação foi possível observar (Tabela 1) que o

rendimento total da polpa soda/AQ foi 46% e depois da classificação o teor de

rejeitos foi 16,9%. O ideal seria após a etapa de polpação soda/AQ passar a polpa

por uma etapa mecânica de desfibrilação para romper as partículas de bagaço


9477

que ainda restam no meio reacional, diminuindo deste modo a quantidade de

rejeitos. O rendimento classificado para o processo de polpação foi de 38,6%.

Este valor está na mesma faixa dos valores encontrados por outros autores para

polpação alcalina e outros tipos de polpação, que foram na faixa de 33,1 - 40,9%

para o bagaço e palha da cana-de-açúcar (LUZ, 2004; RUZENE, 2006).

3.2 Absorções de água e perda de peso Algumas das mais importantes propriedades de uma fibra têxtil estão

intimamente relacionadas ao seu comportamento nas diversas condições

atmosféricas. A maioria das fibras são higroscópicas, isto é, elas são capazes de

absorver vapor de água de uma atmosfera úmida e, inversamente, desabsorver ou

perder água numa atmosfera seca. Muitas das propriedades físicas de uma fibra

são afetadas pelo teor de água absorvida: dimensões, resistência à tração,

recuperação elástica, resistência elétrica, rigidez, etc. Na forma de um tecido, as

relações de umidade exercem uma parte importante quando se decide que um

tecido é inadequado a uma finalidade particular (MALUF e KOLBE, 2003). Outros

fatores surgem nos casos em que detalhes estruturais de um tecido podem

modificar o comportamento aparente da fibra. Por exemplo, um tecido produzido

de fibras hidrofóbicas, como poliéster, pode absorver água pelo efeito de

capilaridade ao longo da superfície da fibra e do fio (MALUF e KOLBE, 2003).


9478

0 5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Abso

rção

de

água

(%)

Tempo (dias)

0 5 10 15 20 25 30

25

20

15

10

5

0

Perd

a de

mas

sa (%

)

Tempo (dias)

(a) (b)

Figura 1. (a) Absorção de água e (b) perda de massa das fibras obtidas da

celulose pura e do bagaço por períodos de 30 dias. (-□-) Celulose de bagaço sem

hidrólise branqueada com H2O2, (-• -) Celulose de bagaço com hidrólise e

branqueada com H2O2, (-▲-) Celulose de bagaço sem hidrólise branqueada com

clorito de sódio e (-◊-) Celulose comercial.

A Figura 1 mostra os resultados de absorção de água em função do tempo.

A capacidade de um material em reter água em sua estrutura, o torna interessante

para determinados tipos de aplicações na área médica, como por exemplo, em

suturas. Principalmente em casos de ferimentos onde haja a presença de

secreção. Uma fibra com capacidade de absorver água poderá ser capaz de

remover a secreção, promovendo a cicatrização do ferimento. Dependendo da

aplicação, as especificações mais importantes em medicina são a absorvência,

tenacidade, flexibilidade, maciez, e em certos casos bioestabilidade e

biodegrabilidade (ARAÚJO et al., 2001).

Pode-se observar na Figura 2 que a fibra que apresentou capacidade maior

de absorção de água foi à obtida da celulose de bagaço de cana sem hidrólise e

branqueadas com clorito de sódio chegando a 80%, seguida da fibra de celulose

comercial 70% e celulose do bagaço de cana com hidrólise e branqueada com

peróxido de hidrogênio. Foram retiradas as amostras em períodos de tempo


9479

determinados (1, 3, 5, 7,15, 21 e 30 dias), logo no primeiro dia de teste a absorção

de água para todas as amostras foram maiores que 60%.

Os ensaios de perda de massa são importantes para verificar a degradação

da fibra à medida que vai ocorrendo o intumescimento da mesma em tampão

fosfato com pH fisiológico. Pode-se observar na Figura 2b que a maior perda de

peso foi para a fibra obtida da celulose comercial 25% com 30 dias e para as

fibras obtidas do bagaço de cana as perdas foram cerca de 20% com 30 dias de

ensaio. Essa maior perda de massa da fibra obtida de celulose comercial pode ser

devido à maior liberação do reagente óxido de N-metilmorfolina utilizado no

preparo do gel.

3.3 Microscopias eletrônicas de varredura das fibras A microscopia eletrônica de varredura é uma técnica de análise muito

utilizada para avaliação da qualidade da fibra, permite avaliar a presença ou não

de escamas, irregularidade de espessura ou forma ao longo das fibras, modo

como as fibras se agrupam, se possuem ou não marcas no seu interior, a

presença ou não uma medula, forma da seção transversal e longitudinal,

diferenças de cor, presença de partículas de agentes acabamentos. Na área

médica pode ser utilizada para se observar a presença de microrganismos como

fungos, bactérias e aderência células na superfície dos materias (ARAÚJO e

CASTRO, 1984 e ZANETTE e CARIDE, 2000).

A Figuras 2 mostra as imagens de MEV das fibras obtidas de celulose

comercial e de bagaço de cana. Pode-se observar que as fibras estão orientadas

em uma direção e apresentam certa regularidade apesar do processo de extrusão

manual. É possível observar também a presença de estrias na superfície das

fibras (Figura 2 a, b, c e d), provavelmente devido às micro ranhuras presentes na

agulha utilizada na seringa para extrusão. As agulhas foram cortadas

manualmente, mas a condição ideal seria que elas fossem cortadas a laser para

evitar essas ranhuras.


9480

a) b)

c) d) Figura 2. Microscopia eletrônica de varredura das fibras têxteis obtidas, (a e b)

celulose comercial (a), celulose de bagaço SH/H2O2 (b), celulose de bagaço

CH/H2O2, (c) celulose de bagaço CH/Clorito de sódio (d).

3.4 Ensaios de Citotoxicidade nas fibras têxteis

Neste ensaio as células que permanecem vivas após o contato com o

extrato das amostras de fibras elas incorporam o vermelho neutro colocado em

contato com as mesmas. Com a solução de lavagem, todo o vermelho é jogado

fora. Colocando-se a solução a de extração esta rompe a célula liberando o

vermelho neutro que foi incorporado. Isto, não acontece com as células que

morrem após o contato com os extratos das amostras.

A Figura 3 mostra o IC50% para o controle positivo de 53%, fibra de celulose

de bagaço de cana = 84%, fibra de celulose comercial de 90%. O significa que

para essas concentrações o material analisado provoca a morte ou lesa 50% das

células da linhagem NTCC clone 929 de camundongo.


9481

10 100

0

50

100

150

Viab

ilida

de C

elul

ar (%

)

Concentração de Extrato (%)

Controle Negativo Controle Positivo Fibra de Celulose de Bagaço Fibra de Celulose comercial

IC50%

Figura 3. Curvas de viabilidade celular obtidas no ensaio de citotoxicidade pelo

método de incorporação do vermelho neutro.

4.CONCLUSÕES

O rendimento do processo de polpação do bagaço e classificação das

polpas foi de 38,5%. De forma geral, tanto branqueamento com peróxido quanto

com clorito de sódio foram eficientes. No entanto, levando-se em consideração a

toxicidade dos reagentes e as dificuldades de manuseio, o peróxido de hidrogênio

é o mais recomendável.

Todas as fibras obtidas de celulose pura e de bagaço apresentaram

capacidade de absorção de água na faixa de 60 – 86%. Isto torna essas fibras

interessantes para determinadas aplicações médicas, por exemplo, para cobertura

de ferimentos que apresentam secreção, uma vez que estas fibras têm

capacidade de absorver as secreções e desta forma promover a secagem do

ferimento. O perfil de perda de massa na foi na faixa de 2,5 – 26% em 30 dias.

O indice de viabilidade celular IC50% para o controle positivo de 53%, fibra

de celulose de bagaço de cana de 84%, fibra de celulose comercial de 90%. O

significa que para essas concentrações o material analisado provoca a morte ou

lesa 50% das células da linhagem NTCC clone 929 de camundongo.


9482

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPQ e a FAPESP pelo apoio financeiro.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALVES FILHO, M. Unicamp e USP agregam suas pesquisas sobre biomassa da cana. Disponível em: www.unicamp.br/unicamp_hoje/fu/fevereiro 2003/fuu203pg03atml. Acesso em: 06-05-2007. ARAÚJO DE. M., FANGUEIRO, R., HONG, H. Têxteis técnicos na medicina. Aplicações, novos processos e novos produtos. Têxteis Técnicos Materiais do Novo Milénio. Williams, Lda (ed), v. 3, p. 29-34, 2001. ARAÚJO DE. M., CASTRO, E.M.M. Manual de Engenharia Têxtil. Fundação Calouste Gulbenkian (ed.), Lisboa, v. 1 e 2, p. 685 e p.732-734, 1984. BROWING, B.L. The Chemistry of Wood. New York, Interscience Publisher, p.574,

1963.

ISO 10 993-5 - International Organization for Standardization - Biological evaluation of medical devices, Part 5, Tests for cytotoxicity: in vitro methods, 1992. LIU, C. F., SUN, R.C., QIN, M., HANG, A.P., REN, J.L., XUB, F., YE, J., WU, S.B. Chemical modification of ultrasound-pretreated sugarcane bagasse with maleic anhydride. Industrial Crops and Products, v.26, p. 212–219, 2007. LUZ; L. Celulose de bagaço e palha de cana-de-açúcar: modificação química e aplicação em compósitos como reforço do polipropileno. Lorena: Departamento de Biotecnologia/faculdade de Engenharia Química de Lorena, 91p. Dissertação de Mestrado, 2004. MACHADO, G.O. Preparação e caracterização CMC e CMC graftizada. São Carlos, Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2000, p.101 Dissertação de Mestrado. PANDEY, A., SOCCOL, C. R., NIGAN, P., SOCCOL, V.T. Biotechnology potential of agro-industrial residues. I: sugarcane bagasse. Bioresource Technology, v.74, p.69-80, 2000. ÚNICA - União da Indústria de Cana-de-Açúcar. Safra de cana-de-açucar 2008/09. Projeções apontam para crescimento de 16% no volume de cana colhida, com 32 novas usinas entrando em operação na região Centro-Sul ao longo da safra. Disponível em. http://www.portaldoagronegocio.com.br/conteudo.php?id=21696. Acesso em. 05-07-2008. PESSOA JÚNIOR, A. Acid hydrolysis of hemicelulose from sugarcane bagasse. Brazilian, Journal of Chemical Engineering, v.14, n.03, p. 291-297, 1997. ROGERO, S.O., MALMONGE, S.M., LUGÃO, A.B., IKEDA, T.I., CRUZ, A.S. Biocompatibility study of polymeric biomaterials, Artificial Organs, v. 27, n. 5, p. 424-427, 2003.


9483

RUZENE, D:S. Obtenção de polpas de dissolução por processos Organosolv a partir de palha ou bagaço de cana-de-açúcar. Lorena: FAENQUIL/ Departamento de Biotecnologia, 2006. p. 73. Tese de Doutorado. ZANETTE, S.I. E CARIDE, O.A. As inovações das imagens da matéria. Ciência Hoje, 2000, v. 27, n.162, p.33.


9484

produÇÃo de fibras texteis a partir da … · trabalho foi gentilmente cedido pela usina...

Documents